CN107632167B - 基于超声脉冲多普勒与电学多传感器的两相流流速测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于超声脉冲多普勒与电学多传感器的两相流流速测量方法，包含：根据电学传感器测量数据判断两相流连续相是否导电；并结合超声换能器测量数据识别两相流流型；计算两相流中的各分相含率和混合声速；利用超声脉冲波多普勒换能器测量流体中离散相的流速分布；计算管道内离散相的平均流速；计算漂移模型中的离散相分布参数；获得相间相对速度与流体总平均流速之间的计算关系；利用漂移模型计算管道内两相流的总平均流速；计算两相流分相流速。

Description

基于超声脉冲多普勒与电学多传感器的两相流流速测量方法

技术领域

本发明属于流体测量技术领域，具体涉及一种基于超声传感器与电学传感器组合的测量方法，用于两相流平均流速和各分相流速的非扰动式测量。

背景技术

两相流中“相”定义为物质的存在形式，包括气态、液态或固态，通常指同时存在两种物质的流动。两相流动现象普遍存于石油的开采、运输、存储过程以及能源、化工、制冷等等众多工业领域与设备中，对两相流动特征的深刻理解对生产过程的监控、管理、分析与设计，以及确保装置可靠运行、提高生产效率都有重要的依据和保障。由于两相流动机理的复杂性和不确定性，使得对其流动过程信息的准确获取和分析十分困难，而两相流流动过程参数的准确检测对推动流体力学理论的研究、动态流体模型的建立和流动机理的研究，促进工业设备的发展以及提高工业过程的生产效率，加强工业过程的安全都起到了重要作用。

两相流的测量参数有含率、流速、流型等，由于两相流流动总是伴随着相间的质量、动量以及热量的传递，与单相流相比多相流的待测参数多、流动过程复杂，难以用数学公式完全描述，因而给测量带来困难。流体速度作为描述两相流流动特征的基本物理量，它的精确测量具有尤为重要的意义。针对两相流流动参数如流速(流量)的测量问题，国内外许多学者开展了大量的理论与实验研究，提出了多种检测方法，按测量方式可分为侵入式与非侵入式技术，其中非侵入的测量方式对两相流重要过程参数的获取非常重要，测量的同时不会对流体的流动状态产生干扰和破坏或带来压损等问题；在此基础上，基于电学法、射线法、超声法、核磁共振法和微波法等测量原理的技术逐渐被应用与两相流测量。

相比于其他非侵入式测量方式，电学法和超声法由于其非侵入、成本低、易于实现、对流体透光性无要求等特点已经被广泛应用于流体流速测量中。电学法和超声法通常应用互相关算法计算两相流流速，但由于该算法测量的流速并非是两相流的平均流速，且其物理意义尚不明确，不能很好的解释测量结果。此外，基于超声法的流速测量技术还包括利用流速对超声信号的传播时间或频率的调制作用，即时差法和多普勒法。超声时差法基于超声沿流体顺逆两个方向传播时速度不同而引起的时差来计算流体沿声道上的线平均速度，通过参数矫正获得流体平均流速，其安装角度与上下游传感器的对准都影响了结果的准确性。超声多普勒方法近几十年以来开始应用于多相流的流速测量，它是基于超声波在流体中运动的散射体上形成的多普勒效应而获得散射体的真实流动速度，物理意义明确，响应频率较快。超声多普勒测速方法分为连续波超声多普勒和脉冲波超声多普勒，目前，大多数情况下基于连续波超声多普勒获得的是管道部分测量区域内散射体平均流速，而基于脉冲波超声多普勒如UVP(ultrasonic velocity profile)方法可获得超声测量线上的速度分布。在油水两相流中，由于油水两相在密度和动态粘度的差异，会出现连续相和离散相的现象，离散相以细小液滴的形式随连续相一起流动，将离散相液滴视为超声波的反射体，则通过超声脉冲波多普勒方法既可获得离散相真实流速分布。但是，由于离散相和连续相之间存在滑动现象，两相流平均速度与离散相的流速并不相同，因此需要通过结合超声脉冲多普勒和漂移模型来建立两相流平均流速测量模型，并结合电学传感器获得的分相含率得到两相流的各分相流速。

专利CN 104155358A提出一种基于超声/电学多传感器的多相流可视化测试装置，利用超声探头与电导/电容传感器组合，同时获取被测多相流体的流速、含率等可视化信息。本发明专利是在该专利测试装置基础上，利用该装置获取的超声脉冲波多普勒信息以及电导/电容传感器获的分相含率信息，共同实现两相流平均流速和分相流速的计算。

发明内容

本发明的目的是在现有的技术基础上，提供一种利用超声脉冲多普勒传感器与电学传感器测量油水两相流平均流速与分相流速的两相流声电双模态测量方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于超声脉冲多普勒与电学多传感器的两相流流速测量方法，所采用的双模态传感器包括一套电学传感器和一个超声脉冲波多普勒换能器；电学传感器基于电容电导原理测量两相流分相含率，超声脉冲波多普勒换能器用于测量两相流沿超声路径上的流速分布；所述电学传感器和超声换能器同时安装于管道上；所述超声换能器同时用于发射和接收脉冲波；所述超声换能器安装于管道底部；所述超声换能器由压电陶瓷晶片、透声楔块和阻尼材料组成；所述压电陶瓷晶片附着在楔块上，以一定角度切割楔块使得晶片的法向方向与管道轴向夹角为θ₀；该测试方法包含如下步骤：

(1)根据电学传感器测量数据判断两相流连续相是否导电；并结合超声换能器测量数据识别两相流流型；

(2)计算两相流中的各分相含率和混合声速：当两相流的连续相为导电相时，将电学传感器用作电导传感器，利用测量数据计算含水率α_w和含油率α_o，两相流混合声速；当两相流连续相为非导电相时，将电学传感器用作电容传感器，利用测量数据计算含水率α_w和含油率α_o，两相流混合声速；

(3)利用超声脉冲波多普勒换能器测量流体中离散相的流速分布u_dop(y)：超声脉冲波多普勒换能器以脉冲波的形式向两相流发射声波，对流体中同一深度上的一系列连续的脉冲回波信号进行采样，组成新的超声回波信号，并对此信号做频谱分析，得到该深度上的平均多普勒频移进而计算各深度上离散相流速分布其中y为脉冲回波的深度，c₀为楔块声速，f₀为超声换能器中心频率；

(4)计算管道内离散相的平均流速对流速分布剖面进行面积积分得到离散相的平均流速其中R为管道半径，A为管道横截面积；n为脉冲多普勒测量深度个数，Δy为脉冲多普勒的距离分辨率，Δy＝mλ₀/2(λ₀＝c_m/f₀)，c_m为两相流混合声速，λ₀为超声脉冲波波长，m为脉冲波周期数；

(5)计算漂移模型中的离散相分布参数C_0dop：基于超声脉冲多普勒的两相流漂移模型其中J为管道内两相流总平均流速，u_r为离散相与连续相间的相对速度，C_0dop为离散相分布参数；α_dis为离散相的含率分布，在不同流型下由离散相速度分布u_dop(y)和离散相含率分布α_dis获得分布参数C_0dop：

1)在水包油和油包水流型中可忽略离散相含率分布α_dis对分布参数C_0dop的影响，分布参数C_0dop等于1；

2)在油包水流型或水包油流型中，根据油连续或水连续条件下离散相含率分布和可计算得到分布参数C_0dop；

3)在水包油和水流型中，油水两相存在高度相界面上的离散相含率分布为相界面下的离散相含率为0；由此可计算得到分布参数C_0dop；

(6)获得相间相对速度u_r与流体总平均流速J之间的计算关系：水连续时相间相对速度u_r与流体总平均流速J之间的关系为油连续时相对速度u_r与总平均流速J之间的关系为其中，C_D为阻力系数，ρ_c为连续相密度，μ_c为连续相动态黏度，D为分散相液滴直径；

(7)利用漂移模型计算管道内两相流的总平均流速J：由上述步骤(1)至(6)获得管道内离散相的平均流速离散相分布参数C_0dop和相间相对速度u_r与总平均流速J的关系后，可通过基于超声脉冲多普勒的漂移模型计算得到两相流的总平均流速J；

(8)计算两相流分相流速，通过电学传感器测量得到的分相含率，进一步计算得到水相表观流速J_w＝J·α_w和油相表观流速J_o＝J·α_o。

本发明的实质性特点是：根据电学传感器测量数据判断两相流连续相是否导电，并结合超声换能器测量数据识别两相流流型。利用超声脉冲多普勒换能器获取管道内的两相流沿超声传播路径上的离散相流速分布，利用电容/电导传感器获取两相流的分相含率。由离散相流速分布得到管道内离散相平均流速，结合流速分布和相含率分布得到离散相分布参数，并获得相间相对速度与流体总平均流速之间的计算关系，由此，根据超声脉冲多普勒的两相流漂移模型计算管道内两相流总平均流速，再与分相含率计算结果一起获取各分相流速。本发明的有益效果及优点如下：

1、该方法为非扰动的测量手段，不会的流体产生任何扰动；

2、测量方便、速度快、成本低，能够准确测量管道内两相流的总平均流速和各分相含率及流速。

附图说明

以下附图描述了本发明所选择的实施例，均为示例性附图而非穷举或限制性，其中：

图1本发明的测量方法中超声脉冲多普勒传播路径示意图；

图2本发明的测量方法中超声脉冲多普勒换能器结构示意图；

图3本发明的测量方法中超声脉冲多普勒测量离散相流速分布过程，(a)为测量原理图，(b)为在不同的脉冲重复间隔时间的回波示意图；

图4本发明的测量方法流速计算步骤。

具体实施方式

下面结合说明书附图详细说明本发明的计算方法。

图1描述了本发明的测量方法中超声脉冲多普勒传播路径示意图。本发明专利所用超声脉冲多普勒换能器包括一个超声换能器2，用于发射和接收超声脉冲波。所述超声探头2安装于管道1的底部，使得超声波传播路径3与两相流4的来流方向0保持一定夹角。所述管道1的内径为R。超声探头2发射超声波后，声波在两相流4中传播，受到超声传播路径3上离散相的反射后由同一超声换能器2接收。在不同的传播深度上通过计算接收声波与发射声波的频率差，即可获得沿超声传播路径上离散相的流速分布。

图2描述了本发明的测量方法中超声脉冲多普勒换能器结构示意图。2-1为超声换能器的接插座，2-2为超声换能器外壳，2-3为透声楔块，2-4超声陶瓷压电晶片，2-5为吸声材料。超声陶瓷压电晶片2-4固定在透声楔块2-3表面。超声陶瓷压电晶片2-4通过逆压电效应发射超声波，经离散相反射后，晶片2-4通过正压电效应接收超声波，并且晶片在全周期或半周期均可激发。接插座2-1连接压电晶片电极以及外部配套的插头连线。θ₀为所述超声压电晶片的法向方向与管道轴向夹角，p为透声楔块厚度。超声换能器中心频率为f₀，直径为d₀，换能器产生的超声波束分为两个区域，分别是超声近场和超声远场，超声近场中的声场强度高度非线性变化不利于超声测量，超声远场的声场强度稳定利于超声测量，且超声波具有发散性，其扩散角为α，因此超声测量路径位于超声远场区域，即换能器透声楔块厚度p大于近场长度L；其中近场长度L＝d₀ ²/4λ，远场声束扩散角α＝sin(1.22λd₀)，λ为超声波波长。

图3描述了本发明的测量方法中超声脉冲多普勒测量离散相流速分布过程。在图3(a)中，5是处于超声传播路径3中的离散相，y为离散相5在超声传播路径3上的深度，v是离散相5沿管道轴向运动速度及方向，c_m为两相流4混合声速，c₀为透声楔块声速，θ为入射到两相流4的超声波与管道轴向夹角。如图3(b)，超声换能器2在脉冲重复间隔时间PRI内，以角度θ₀向流体4发射m个周期频率为f₀的脉冲波，并接收沿声波传播路径3上不同位置处的离散相5反射或散射的回波，该频率与发射声波的频率之差为多普勒频移。通过超声回波的延迟时间t获得离散相的深度为y＝ct/2。对同一深度上的一系列连续的脉冲回波信号进行采样，组成新的超声回波信号，并对此信号做傅立叶变换，可得到对应深度上径离散相反射的超声回波频率f_r，则多普勒频移f_d＝f_r-f₀，与对应深度上离散相的运动速度v成正比。由于该频移是超声波经过超声传播路径3的某一深度位置上分散的多液滴散射而成，造成相应频移具有多峰特点，因此需要计算该深度上的平均频移

其中，S_d(f_d)为频移f_d的功率谱。

因此，该深度上离散相的速度v＝u_dop：

由此，采用相同方法对不同时间段内的信号做频谱分析，可得到管道内不同深度y上的频移信息，从而实现测量离散相沿超声传播路径上的速度分布u_dop(y)。

图4描述了本发明的测量方法流速计算步骤。下面以液液两相流为例，对本发明的两相流流速测量方法进行说明，该方法也可用于如气液两流等其他两相流流速测量中，两相流流速测量方法步骤如下：

步骤1：根据电学传感器组合测试方式的测量数据判断两相流的连续相；并结合超声换能器测量数据识别两相流流型。

(1)当两相流的连续相为导电相时，电学传感器中的电容传感器工作失效，由此判断出连续相为导电相，且电导传感器采集数据有效；当连续相为非导电相时，电导传感器工作失效，由此判断出连续相为非导电相，且电容传感器采集数据有效。

(2)根据电学传感器的有效采集数据与超声换能器测量数据，结合特征提取与分类方法，实现两相流流型的识别。流型的识别步骤一般为：提取测量数据中具有反应流型变化特征的特征值，例如时频分析方法、非线性分析方法、统计分析方法等，通过分类算法将特征值归类识别，例如神经网络方法、支持向量机方法等。举例过程可参考专利CN104101687-A。本发明与该专利的不同之处为分别从电学传感器和超声换能器的输出采集数据中提取一定时间段内的测量值组成时间序列，从每一时间序列中提取特征值组成特征向量，并对其进行归类识别，从而实现两相流流型的识别。

步骤2：计算两相流中的各分相含率和混合声速：当两相流的连续相为导电相时，利用电导传感器的测量数据计算含水率α_w和含油率α_o，两相流混合声速c_m；当两相流连续相为非导电相时，利用电容传感器的测量数据计算含水率α_w和含油率α_o，两相流混合声速c_m；其中两相流混合声速为：

c_m＝α_w·c_w+α_o·c_o (3)

其中，c_w为介质水的声速，c_o为介质油的声速。

步骤3：利用超声脉冲波多普勒换能器测量流体中离散相的流速分布u_dop(y)：超声脉冲波多普勒换能器以脉冲波的形式向两相流发射声波，当声波遇到声束路径上不同深度y处的运动离散相时会发生散射现象，导致脉冲回波的频率f_r发生改变，该频率与发射声波的频率f_o之差为多普勒频移f_d，与离散相运动速度成正比；对同一深度y上的一系列连续的脉冲回波信号进行采样，组成新的超声回波信号，并对此信号做频谱分析，得到该深度y上的平均多普勒频移进而计算各深度上离散相流速分布

步骤4：计算管道内离散相的平均流速对流速分布剖面进行面积积分得到管道内离散相的平均流速

其中，R为管道半径，A为管道横截面积，n为脉冲多普勒测量深度个数，Δy为脉冲多普勒的距离分辨率。

步骤5：计算漂移模型中的离散相分布参数C_0dop。

(1)基于超声脉冲多普勒的漂移模型为：

其中，J为管道内两相流总平均流速，u_r为离散相与连续相间的相对速度，C_0dop为离散相分布参数。

(2)计算漂移模型中的离散相分布参数。离散相分布参数C_0dop表示为：

其中，α_dis为离散相的含率分布。在不同流型下由离散相含率分布α_dis和超声脉冲多普勒换能器获得的离散相速度分布u_dop(y)计算分布参数C_0dop：

1)在水包油和油包水流型中可忽略离散相含率分布α_dis对分布参数C_0dop的影响，根据式(6)分布参数C_0dop经约分后等于1；

2)在油包水流型或水包油流型中，油连续或水连续条件下的离散相含率分布分别为式(7)和式(8)，由此根据式(6)可计算得到分布参数C_0dop。

3)在水包油和水流型中，两相流中存在相界面，其高度H为：

相界面上的离散相含率分布符合式(7)，相界面下的离散相含率为0，由此根据式(6)可计算得到分布参数C_0dop。

步骤6：获得相间相对速度u_r与流体总平均流速J之间的计算关系。

(1)水连续时相对速度u_r与总平均流速J之间的关系为：

(2)油连续时相对速度u_r与总平均流速J之间的关系为：

其中，C_D为阻力系数，ρ_c为连续相密度，μ_c为连续相动态黏度，D为分散相液滴直径；由于不同连续相中分散相液滴尺寸不统一，D的取值需根据实际情况确定，对于油水两相流，可以取1mm；阻力系数C_D与离散相形状、流动方向、流动参数(如雷诺数Re、马赫数、湍动强度)等有关，假设离散相是球体，则C_D＝0.445，750＜Re＜3.5×10⁵。

步骤7：利用漂移模型计算管道内两相流的总平均流速。由上述步骤1至6获得管道内离散相的平均流速离散相分布参数C_0dop和相间相对速度u_r与总平均流速J的关系后，可根据超声脉冲多普勒的漂移模型计算得到两相流的总平均流速J。

步骤8：计算两相流分相流速。通过电学传感器测量得到的含水率α_w和含油率α_o，进一步计算得到水相表观流速：

J_w＝J·α_w (12)

油相表观流速：

J_o＝J·α_o (13)。

Claims (1)

1.一种基于超声脉冲多普勒与电学多传感器的两相流流速测量方法，所采用的双模态传感器包括一套电学传感器和一个超声脉冲波多普勒换能器；电学传感器基于电容电导原理测量两相流分相含率，超声脉冲波多普勒换能器用于测量两相流沿超声路径上的流速分布；所述电学传感器和超声脉冲波多普勒换能器同时安装于管道上；所述超声脉冲波多普勒换能器同时用于发射和接收脉冲波；所述超声脉冲波多普勒换能器安装于管道底部；所述超声脉冲波多普勒换能器由压电陶瓷晶片、透声楔块和阻尼材料组成；所述压电陶瓷晶片附着在楔块上，以一定角度切割楔块使得晶片的法向方向与管道轴向夹角为θ₀，该两相流流速测量方法包含如下步骤：

(1)根据电学传感器测量数据判断两相流连续相是否导电；并结合超声脉冲波多普勒换能器测量数据识别两相流流型；

(2)计算两相流中的各分相含率和混合声速：当两相流的连续相为导电相时，将电学传感器用作电导传感器，利用测量数据计算含水率α_w和含油率α_o，两相流混合声速；当两相流连续相为非导电相时，将电学传感器用作电容传感器，利用测量数据计算含水率α_w和含油率α_o，两相流混合声速；

(3)利用超声脉冲波多普勒换能器测量流体中离散相的流速分布u_dop(y)：超声脉冲波多普勒换能器以脉冲波的形式向两相流发射声波，对流体中同一深度上的一系列连续的脉冲回波信号进行采样，组成新的超声回波信号，并对此信号做频谱分析，得到该深度上的平均多普勒频移进而计算各深度上离散相流速分布其中y为脉冲回波的深度，c₀为楔块声速，f₀为超声脉冲波多普勒换能器中心频率；

(4)计算管道内离散相的平均流速对流速分布剖面进行面积积分得到离散相的平均流速其中R为管道半径，A为管道横截面积；n为脉冲多普勒测量深度个数，Δy为脉冲多普勒的距离分辨率，Δy＝mλ₀/2(λ₀＝c_m/f₀)，c_m为两相流混合声速，λ₀为超声脉冲波波长，m为脉冲波周期数；

(5)计算漂移模型中的离散相分布参数C_0dop：基于超声脉冲多普勒的两相流漂移模型其中J为管道内两相流总平均流速，u_r为离散相与连续相间的相对速度，C_0dop为离散相分布参数；α_dis为离散相的含率分布，在不同流型下由离散相速度分布u_dop(y)和离散相含率分布α_dis获得分布参数C_0dop：

1)在水包油和油包水流型中可忽略离散相含率分布α_dis对分布参数C_0dop的影响，分布参数C_0dop等于1；

2)在油包水流型或水包油流型中，根据油连续或水连续条件下离散相含率分布和可计算得到分布参数C_0dop；

3)在水包油和水流型中，油水两相存在高度相界面上的离散相含率分布为相界面下的离散相含率为0；由此可计算得到分布参数C_0dop；

(6)获得相间相对速度u_r与两相流总平均流速J之间的计算关系：水连续时相间相对速度u_r与两相流总平均流速J之间的关系为油连续时相对速度u_r与两相流总平均流速J之间的关系为其中，C_D为阻力系数，ρ_c为连续相密度，μ_c为连续相动态黏度，D为分散相液滴直径；

(7)利用漂移模型计算管道内两相流的总平均流速J：由上述步骤(1)至(6)获得管道内离散相的平均流速离散相分布参数C_0dop和相间相对速度u_r与两相流总平均流速J的关系后，可通过基于超声脉冲多普勒的漂移模型计算得到两相流的两相流总平均流速J；

(8)计算两相流分相流速，通过电学传感器测量得到的分相含率，进一步计算得到水相表观流速J_w＝J·α_w和油相表观流速J_o＝J·α_o。